전기 자동차의 트랙션 인버터를 상상해보세요. 내부에는 실리콘 IGBT를 느리게 보이게 만드는 속도로 전환하는 실리콘 카바이드 전원 모듈이 있습니다. 접합 온도가 200°C로 올라가고 전압 에지가 너무 빨리 상승하여 도달하는 모든 절연체에 스트레스를 줍니다. 이 모듈에 대한 대부분의 엔지니어링 논의는 칩 캐리어, 즉 질화 규소 기판, 소결 은, 열 인터페이스 재료에서 멈춥니다. 그리고 그들은 옳습니다. 그 체인이 주사위의 생존 여부를 결정합니다.
하지만 모듈은 혼자 살지 않습니다. 적층 버스바에 매달려 있습니다. 터미널 보드에 볼트로 고정됩니다. 폴리이미드 필름 조각을 통해 게이트 드라이버 보드와 통신합니다. 내화 운모 장벽으로 포장되어 있습니다. 이러한 각 구성 요소는 수천 볼트를 전달하고, 열원에서 몇 센티미터 떨어진 곳에 위치하며, 인버터의 나머지 부분이 요리되는 동안 전기적, 기계적 정체성을 유지해야 합니다.
그 주변 시스템은 단열 엔지니어링은 조용히 작업을 수행합니다. 이 기사에서는 에서 IGBT 및 SiC 모듈 열 관리를 살펴봅니다 절연 측면 . 즉, 다이에서 열을 멀리 이동시키는 방법이 아니라 모듈 주변의 절연 재료가 시스템의 열 설계를 유지하고 기여하며 때로는 방해하는 방법을 살펴봅니다.
두 가지 발열 문제, 하나의 모듈
엔지니어들은 열 관리에 대해 단일하게 말하는 경향이 있지만, 전력 모듈은 실제로 두 가지 다른 재료 철학을 요구하는 두 가지 다른 열 문제를 제시합니다.
열 경로(칩 수준)
이는 반도체 다이에서 냉각 플레이트(다이 부착, 세라믹 기판(DBC 또는 AMB), 베이스플레이트, 열 인터페이스 재료, 방열판 또는 냉각판)까지의 체인입니다. 여기서 설계 목표는 최대 열 전도율 입니다 . 모든 레이어는 가능한 한 쉽게 열이 흐르도록 하기 위해 존재합니다. 이 경로의 재료(질화규소, 질화알루미늄, 소결은, 상변화 TIM)는 세라믹 자체가 전기 장벽을 제공하기 때문에 전도성을 먼저 고려하고 유전체 성능을 두 번째로 선택합니다.
유전체 경로(시스템 수준)
버스바 절연, 터미널 보드, 위상 분리기, 게이트 드라이버 절연, 자기 부품 절연, 인클로저 장벽 등 모듈을 둘러싸는 모든 것입니다. 여기서의 설계 목표는 반대입니다. 즉, 최대 전기 차단이 이루어집니다 . 특정 온도, 기계적 부하 및 화재 위험에서 열은 이러한 재료에 적합하지 않습니다. 그들을 타락시키는 것은 바로 적입니다. 열을 잘 전달할 필요는 없습니다. 그들은 견뎌야 합니다. 부드러워지거나, 추적되거나, 실패하지 않고 주변의 열을
코어 장력: 열 경로는 열을 전도하고 전압을 차단하는 재료(세라믹)를 원합니다. 유전체 경로는 뜨거운 것(라미네이트, 운모, 필름) 옆에 앉아 수십 년 동안 전압을 차단하는 재료를 원합니다. 시스템을 설계할 때 두 경로를 모두 올바르게 지정해야 하지만 일반적으로 모든 주의가 첫 번째 경로에 집중되기 때문에 그렇지 않습니다.
이 문서는 두 번째 경로에 관한 것입니다. 첫 번째 경로가 다이의 생존 여부를 결정한다면 두 번째 경로는 시스템의 생존 여부와 화재 테스트, EMC 테스트 및 10년 보증 통과 여부를 결정합니다.
열이 실제로 모듈 주변에서 나오는 곳
선택하려면 단열재를 지능적으로 사용하면 모듈 근처의 열이 어디서 나오는지 파악하는 데 도움이 됩니다. 세 가지 서로 다른 소스가 있으며 각각은 유전체 경로의 서로 다른 부분에 스트레스를 줍니다.
1. 모듈 및 해당 단자의 전도
모듈 케이스와 전원 단자는 뜨거워집니다. 고전류 작동 시 DC 단자는 100°C 이상에서도 작동할 수 있습니다. 단자, 장착 베이스 또는 인근 구조 부품에 닿는 절연체는 해당 연속 온도에 대한 등급을 받아야 합니다. 이것이 바로 열 등급이 중요한 부분입니다. 150°C 단자와 접촉하는 클래스 B(130°C) 라미네이트는 현장 오류가 발생하기를 기다리고 있습니다.
2. 단열재 자체의 자체 발열
이것은 미묘한 것입니다. 모든 유전체 재료에는 손실 탄젠트(tan δ)가 있습니다. 고주파, 고전압 파동이 절연체를 통과할 때 에너지의 일부가 흡수되어 열로 변환됩니다. 즉, 절연체 자체 가 가열됩니다 . 50-60Hz에서는 이는 무시할 수 있습니다. 100kHz~MHz 스위칭 주파수에서는 SiC가 가능하지만 그렇지 않습니다. 1MHz에서 손실 탄젠트가 0.02인 부스바 절연체는 특히 환기가 되지 않는 소형 인클로저에서 측정 가능한 온도 상승에 기여할 수 있습니다.
3. 인접한 구성 요소의 복사열 및 대류열
인덕터, 초크, DC 링크 커패시터 및 게이트 드라이버 전원 공급 장치는 모두 열을 방출합니다. 이러한 구성 요소 근처의 단열 장벽은 의도하지 않은 열 차폐 역할을 합니다. 즉, 장벽 재료 자체는 자체 손실뿐만 아니라 구획의 주변 온도에 맞게 평가되어야 합니다.
시스템 수준 단열 도구 상자
이 두 번째 경로를 채우는 재료는 작업 세트를 형성합니다. 각각에는 역할이 있으며 잘못 적용하면 각각 다르게 실패합니다. 전력 전자 어셈블리에 나타나는 세트와 해당 세트는 다음과 같습니다.
적층 부스바 절연 — FR-4 및 GPO-3
적층 부스바는 전력 스테이지의 혈관입니다. 얇은 절연체로 분리된 적층형 구리판은 전체 DC 링크 전압을 견디면서 수백 암페어를 전달합니다. 면 사이의 절연은 높은 유전 강도와 낮은 유전 손실을 결합해야 합니다 . 면 사이의 빠른 스위칭 전압 리플이 라미네이트 내부에 열을 발생시키기 때문입니다.
두 등급이 지배적입니다. FR-4(EPGC 202) 는 높은 기계적 강도, 우수한 유전체 성능 및 UL 94 V-0 난연성(스택업 절연 및 가장자리 장벽의 기본값)을 제공합니다. GPO-3 (UPGM 203) 은 부스바 표면이 오염될 수 있거나 연면 경로가 짧은 곳에서 중요한 뛰어난 아크 및 트래킹 저항을 제공합니다. 매우 컴팩트한 버스바 설계의 경우 오염된 조건에서의 추적 성능 때문에 GPO-3의 변성 폴리에스테르 수지가 선호되는 경우가 많습니다.
터미널 보드 및 장착 지지대 - G-10 및 G-11
터미널 보드, 퓨즈 보드, 위상 분리기 및 장착 각도는 어셈블리의 전기적 기하학적 구조를 유지합니다. 먼저 구조적이며, 두 번째로 단열적입니다. 곳입니다 . G-10에서 G-11로의 결정이 위장된 열 관리 결정이 되는
G-10(클래스 B, ~130°C)은 보드 주변 온도가 120°C를 초과하지 않는 기존 실리콘 IGBT 어셈블리에 적합합니다. G-11(클래스 F, ~155°C 이상)은 고온 에폭시 배합으로 인해 고온에서도 기계적 강도를 유지합니다. 케이스 온도가 일반적으로 130°C를 초과하는 SiC 모듈의 경우 모듈 옆의 하중 지지 절연체에 대해 G-11을 지정하면 10년 동안 평평하게 유지되는 보드와 크리프되고 부드러워지며 위상 장벽이 허용 범위를 벗어나게 하는 보드 사이의 차이가 있습니다.
게이트 드라이버 및 제어 절연 - 폴리이미드 필름
게이트 드라이버는 이미터 또는 소스와 동일한 전위에 위치하지만 절연 상태를 유지해야 하는 로직 측면에서 단 몇 밀리미터의 절연 거리만 떨어져 있습니다. 여기서 요구되는 사항은 얇고 견고하며 고온 절연 입니다 . 6051 폴리이미드 필름은 최소 0.025mm의 두께에서 200kV/mm 이상의 유전 강도로 260°C에서 연속 작동을 처리합니다. 이는 단단한 드라이버 보드 스택업에 맞을 만큼 얇고 인버터의 열 순환을 견딜 수 있을 만큼 튼튼합니다. 용제와 오일에 대한 저항성도 중요합니다. 게이트 드라이버 보드는 컨포멀 코팅이나 세척 화학물질이 더 작은 필름을 공격할 때 첫 번째 피해를 입습니다.
자기 부품 - Nomex 및 운모 테이프
DC 링크 초크, EMI 필터 및 모듈 자체 게이트 변압기에는 처짐 없이 높은 온도를 견딜 수 있는 중간층 및 장벽 절연이 모두 필요합니다. Nomex와 같은 아라미드 종이는 고온 등급과 기계적 순응성을 제공하므로 포장 및 층 절연에 이상적입니다. 운모 테이프는 한 단계 더 나아갑니다. 고성능 운모 테이프는 금운모 또는 소성 운모 종이(중량 기준으로 ≥65% 운모 함량)를 유리 섬유 또는 PET 기재와 결합하고 완전히 경화된 에폭시 또는 실리콘 수지를 함침시킵니다. 이 제품은 130°C 이상의 연속 작동과 800°C 이상의 단기 최고 온도를 견딜 수 있습니다. 따라서 권선이나 케이블이 결함을 통해 유전체 정체성을 유지해야 하는 모든 곳에 나타납니다.
방화 장벽 - 운모 테이프 및 운모 충전 라미네이트
거의 순전히 열적인 단열 작업 중 하나가 바로 방화벽입니다. 결함이 있는 반도체, 용접된 부스바 조인트, 아크 등의 결함이 발생하면 국지적 온도가 밀리초 안에 수백도까지 치솟을 수 있습니다. 유기 단열재가 타서 떨어지거나 추적을 수행합니다. 광물인 운모는 타지 않으며 독성 연기를 배출하지 않습니다. 무기 충전재와 완전히 경화된 수지를 함유한 운모 테이프는 전원 케이블의 내부 내화층으로 지정되고 단일 결함이 인클로저 화재로 이어져서는 안 되는 모듈의 열 차폐물로 지정됩니다. 변압기 오일에 담근 후에도 유전 강도의 80% 이상을 유지합니다. 이는 변압기에 인접한 전력 전자 장치의 신뢰할 수 있는 마지막 라인이 되는 특성입니다.
열 경로와 유전체 경로
다음 표에는 두 가지 철학이 나란히 나와 있습니다. 우선 순위가 미러 이미지라는 점에 유의하세요.
| 위치 | 일반적인 재료 | 주요직업 | 주요 매개변수 | 실패 모드 |
| 칩 기판(열 경로) | Si₃N₄ / AlN 세라믹(DBC, AMB) | 열 전도, 전압 차단 | 열전도율 90-200W/m·K | 균열, 박리 |
| 다이 부착/상호 연결(열 경로) | 소결은, 구리 리본 | 전류를 전달하고 열을 전도합니다. | 융점, 피로수명 | 피로, 이륙 |
| 모듈-방열판(열 경로) | TIM: 그리스, 패드, 상 변화 | 공극 채우기, 열 전달 | 열저항 Rth | 펌프아웃, 드라이아웃 |
| 부스바 스택업(유전체 경로) | FR-4 / GPO-3 라미네이트 | DC 링크 전압 차단, 부하 전달 | 유전 강도, tan δ, 추적 | 자체 가열, 추적 |
| 단자 및 실장 보드(유전체 경로) | G-10 / G-11 에폭시 유리 | 형상을 유지하고 열로부터 절연 | 열 등급 B 대 F | 크리프, 연화 |
| 게이트 드라이버 절연(유전체 경로) | 폴리이미드 필름(6051) | 얇은 고온 절연 | 260°C, ≥200kV/mm | 용제 공격, 펑크 |
| 자기 부품(유전체 경로) | 노멕스, 운모 테이프 | 층 및 회전 단열재 | 열 등급, 적합성 | 주름, 짧은 회전 |
| 방화벽(유전체 경로) | 운모 테이프, 운모 라미네이트 | 결함 열을 포함하고 연기가 없습니다. | 800°C+ 피크, 불연성 | — (미네랄, 타지 않음) |
SiC가 절연 사양을 변경하는 네 가지 방법
광대역갭 반도체는 더 뜨거워지고 더 빠르게 전환될 뿐만 아니라 중요한 절연 특성과 필요한 마진을 변경합니다. 4교대 근무에 주목할 필요가 있습니다.
1. dv/dt 문제는 먼저 유전체 경로에 영향을 미칩니다
SiC는 수십에서 100kV/μs 이상의 전압 에지를 생성할 수 있습니다. 빠른 에지는 부스바와 권선 절연체 전체에 고주파 전압 분포를 생성하여 에지, 보이드 및 인터페이스에 응력을 집중시킵니다. 그 결과 부분 방전이 발생합니다. 즉, 시간이 지남에 따라 유기 절연체를 부식시키는 작은 내부 스파크입니다. SiC 시스템용 재료에는 PD 저항성 과 공극 없는 구조가 필요합니다. 이것이 바로 VPI 호환 운모 테이프와 조밀하고 공극이 적은 라미네이트가 스위칭 속도가 증가함에 따라 더욱 매력적인 이유입니다.
2. 자체 발열로 인해 손실 예산이 변경됩니다.
스위칭 주파수가 수백 kHz로 올라가면 유전 손실(주파수 × tan δ × 전압⊃2;에 비례)은 더 이상 각주가 아닙니다. 기계적 특성 때문에 선택되었지만 손실 탄젠트가 보통인 부스바 절연체는 이제 실제 온도 상승에 기여할 수 있습니다. 데이터시트의 1kHz가 아닌 실제 스위칭 주파수에서 저손실 등급을 지정하고 tan δ를 측정하는 것은 SiC 지원 설계와 개조를 구분하는 원칙입니다.
3. 열 등급 마이그레이션: B → F → H
SiC 접합 온도는 175~225°C에 이릅니다. 모듈 주변의 유전체 경로는 다음과 같습니다. 케이스 옆에 장착하는 단열재는 G-10(클래스 B)에서 G-11(클래스 F)로 마이그레이션되어야 하며 방화 장벽은 모두 수명이 길기 때문에 기존 클래스가 없는 운모로 마이그레이션되어야 합니다. 260°C에서 폴리이미드 필름은 기존 폴리에스테르 필름(155°C)이 할 수 없는 게이트 드라이버 절연을 편안하게 커버합니다.
4. 연면거리가 레이아웃 제약이 됨
더 높은 버스 전압(800V 플랫폼, 곧 1200V+)과 소형 인버터는 더 짧은 물리적 거리와 더 좁은 연면 마진을 의미합니다. 이로 인해 디자이너는 GPO-3, 멜라민 유리(G-9), 가장자리가 깨끗한 적절하게 가공된 G-11 등 추적 저항이 뛰어난 소재를 선택하고 조심스럽게 가장자리 마감 처리를 하게 됩니다. 거친 섬유 노출 가장자리에서 추적이 시작되기 때문입니다.
실용적인 선택 프레임워크
전력 전자 애플리케이션이 사양 단계에 도달하면 네 가지 질문에 대한 답이 순서대로 제공됩니다. 프레임워크는 간단하지만 대부분의 잘못된 사양을 포착합니다.
단열재 표면의 연속 온도는 얼마입니까? 이는 열 등급 한도를 설정합니다. 130°C 이상에서 연속적으로 G-10이 꺼집니다. 155°C 이상에서는 G-11과 운모가 이어집니다. SiC 케이스 주변에서는 최악의 경우에 마진 20°C를 더한 것으로 가정합니다.
절연체는 어떤 전압과 어떤 스위칭 속도를 보입니까? 이를 통해 절연 강도, 두께 및 부분 방전 테스트가 필요한지 여부가 결정됩니다. 빠른 에지는 kV/mm 수치뿐만 아니라 보이드 및 PD 동작에 대해서도 질문해야 함을 의미합니다.
부품이 구조적입니까, 아니면 단순한 장벽입니까? 내하중 절연(단자판, 상 분리기, 장착 각도)은 온도에서 유지되는 기계적 강도가 필요합니다. 이것이 G-11 주장입니다. 비내력 장벽은 더 가볍고 저렴한 등급을 사용할 수 있습니다.
잘못이 있으면 어떻게 되나요? 방화 구획에는 운모가 필요합니다. 서지가 발생하기 쉬운 시스템에는 추적 저항(GPO-3, G-9)이 필요합니다. 오일 침지 시스템에는 오일 노출 후에도 유전 강도를 유지하는 재료가 필요합니다. 오일 침지 후 운모 테이프의 80% 유지력이 이러한 사양에 계속 나타나는 이유입니다.
제조업체 참고 사항: 우리가 볼 수 있는 가장 일반적인 사양 오류는 잘못된 재료 계열을 선택하는 것이 아니라 잘못된 열 등급에서 올바른 계열을 선택하거나 추적 저항이 실제 요구 사항인 난연성 등급을 지정하는 것입니다. SiC 인버터 내부에 'G-10 절연체'라고 표시된 도면은 일반적으로 실리콘 IGBT 설계에서 복사하여 붙여넣은 것이므로 시도해 볼 가치가 있습니다.
제조 및 가공
적층 재료의 경우 열 이야기는 수지에서 끝나지 않습니다. 그것은 가공 벤치에서 끝납니다. 세 가지 세부 사항은 열 환경에서 살아남는 부품과 조기에 고장이 나는 부품을 구분합니다.
가장자리 마무리. 거칠거나 해어지거나 섬유가 노출된 가공된 가장자리는 추적 경로이자 습기 심지가 됩니다. 깨끗하고 잘 밀봉된 가장자리(예리한 카바이드 툴링으로 절단, 디버링, 때로는 밀봉)는 시트가 약속한 유전체 무결성을 보존합니다.
박리 없음. 열경화성 라미네이트는 올바른 속도와 이송으로 절단해야 합니다. 볼트 구멍 근처의 박리층은 보이드(void)이고, 전압 하에서 보이드가 부분 방전 사이트이다. 엄격한 CNC 작업에서는 모든 전력 전자 부품을 먼저 유전체 부품으로, 두 번째로 기계 부품으로 처리합니다.
온도에 따른 내성. 라미네이트는 열가소성 수지에 비해 치수적으로 안정적이지만 뜨겁고 진동하는 인버터의 얇은 장벽으로 인해 장착 지점이 여전히 피로해질 수 있습니다. 적절한 크기의 볼트 절연체와 절연 슬리브는 수년간의 미세한 움직임 후에 라이브 버스바가 장벽을 통해 긁히는 전형적인 고장을 방지합니다.
미래를 내다보며
궤도는 분명하다. 버스 전압은 400V에서 800V 이상으로 이동합니다. 스위칭 주파수가 상승합니다. 전력 밀도는 더 적은 공기, 더 적은 공간, 더 적은 마진을 의미합니다. 세 가지 중요한 추세는 다음과 같습니다.
더 많은 운모. 화재 안전 표준이 강화되고 열 폭주 시나리오가 더욱 주의 깊게 연구됨에 따라 미네랄 단열재는 EV 및 고정식 보관실의 틈새 시장에서 주류 시장으로 이동하고 있습니다.
고주파 부스바용 저손실 라미네이트 등급. 버스바는 그 자체로 전기 및 열 설계 요소가 되고 있으며 스위칭 주파수의 손실 데이터는 표준 데이터시트 요청이 될 것입니다.
하이브리드 스택. 운모에 접착된 폴리이미드 필름, 유리 강화 수지와 결합된 아라미드 종이 - 설계자는 이미 모듈 내부에 구리와 세라믹을 쌓아 놓은 것처럼 한 번의 빌드로 두께, 온도 및 기계적 강도를 얻기 위해 재료군을 쌓을 것입니다.
자주 묻는 질문
전원 모듈의 열 관리에 세라믹 기판만으로는 충분하지 않은 이유는 무엇입니까?
세라믹 기판은 칩 수준의 열 경로(다이에서 베이스플레이트, 방열판까지)를 관리합니다. 그러나 모듈은 부스바, 터미널, 게이트 드라이버 보드, 자기 구성 요소 및 인클로저 장벽이 있는 시스템 내부에도 위치합니다. 이들 각각은 전압을 전달하고 열을 생성하거나 받습니다. 시스템 수준의 단열재(라미네이트, 운모, 필름)는 주변 구조를 안전하고 시원하게 유지합니다.
IGBT 및 SiC 모듈 주변에는 어떤 절연재가 사용됩니까?
일반적인 선택에는 부스바 절연용 FR-4 또는 GPO-3 라미네이트, 터미널 보드 및 장착 지지대용 G-10 및 G-11 시트, 게이트 드라이버 및 제어 보드 절연용 폴리이미드 필름, Nomex 아라미드 종이 및 자기 구성 요소용 운모 테이프, 모듈 근처의 고온 방화벽용 운모 테이프가 포함됩니다.
SiC는 실리콘 IGBT와 비교하여 절연재 선택을 어떻게 바꾸나요?
SiC는 더 빠르게 전환되고 더 뜨겁게 작동합니다. 더 높은 dv/dt(최대 100kV/μs)는 고주파 전압파로 버스바 절연에 스트레스를 가해 절연체가 자체적으로 가열되지 않도록 낮은 유전 손실을 요구합니다. 더 높은 접합 온도(175~225°C)로 인해 G-10(클래스 B) 대신 G-11(클래스 F)과 같은 더 높은 열 등급으로 실장 및 단자 절연이 진행됩니다.
전력 전자 절연의 열 경로와 유전 경로의 차이점은 무엇입니까?
열 경로는 열을 전도하도록 설계된 칩 수준 체인(다이, 솔더, 세라믹 기판, 감열재, 방열판)입니다. 유전체 경로는 시스템에서 생성되는 열을 견디면서 전압을 차단하도록 설계된 주변 절연 시스템(모선 절연체, 터미널 보드, 장벽)입니다. 두 경로 모두 중요하지만 우선 순위가 반대로 설계되었습니다.
결론
IGBT 및 SiC 모듈의 열 관리는 일반적으로 칩 수준(세라믹, 소결은, TIM)으로 설명됩니다. 그러나 모듈의 생존은 두 번째, 더 조용한 이야기에도 달려 있습니다. 즉, 스스로 익지 않아야 하는 적층 버스바 절연체, 160°C에서 형상을 유지해야 하는 G-11 터미널 보드, 게이트 드라이버를 절연하는 폴리이미드 슬라이버, 다른 모든 것이 연소될 때 타지 않아야 하는 운모 장벽입니다.
이러한 재료는 열 설계에 대한 수동적 증인이 아닙니다. 그들은 그것의 일부입니다. 기판 및 TIM과 동일한 규율로 지정되어 전체 설계 수명 동안 시스템을 열 봉투 내부에 유지합니다. 이전 디자인에서 복사하여 붙여넣기로 지정하면 감당할 수 없는 한 곳에서 약한 연결 고리가 됩니다.
